对于大倾覆力矩、重载疲劳和高冲击高磨损的轴承材料,通常采用感应淬火进行表面强化,但存在软带和变形大等问题。而使用激光淬火硬化层深度在1 mm以内,42crmo钢板且横截面硬化层为"月牙形",试样表面各点硬化层分布不均,较浅处易提前发生损坏。
为解决以上问题,利用COMSOL软件模拟激光深层淬火过程温度场时空分布,与常规激光淬火不同,激光深层淬火采用了宽光斑、低速扫描,且辅助用于提高吸光率的涂料,在软件中设定不同激光功率、扫描速度和光斑尺寸,分析得到不同工艺参数下的温度场分布、硬化层形貌和特征尺寸,并在模拟指导下进行实验得到深层硬化层,并探究光斑尺寸对硬化层深度、宽度、均匀性的影响。模拟结果表明,选择适当的激光功率密度和扫描速度进行激光淬火温度场的模拟,可以得到3.6 mm深的硬化层。以此进行光纤耦合半导体激光器淬火实验,实验所得有效硬化层深度为3.7 mm,硬化层平均硬度为774 HV0.3。42crmo钢板将实验所得硬化层形貌和模拟结果进行对比,平均误差为6.5%。模拟结果还表明,在激光功率、光斑面积和扫描速度不变时,改变光斑的宽度,硬化层的宽度与光斑的宽度成正比例,硬化层的深度随光斑宽度增加先增加后减小。随着光斑宽度增加,硬化层分布更加均匀。
利用金相显镜、洛氏硬度计和扫描电镜,对经过预备热处理（退火、淬火、调质）+亚温淬火+高温回火处理（又称临界区淬火+回火）后的42CrMo钢的组织、冲击性能以及断口形貌进行了观察和分析。结果表明,预备热处理为退火处理时,亚温处理后残留的铁素体粗大不均;且在回火索氏体之间分布不均匀;预备热处理为淬火处理和调质处理时,残留的铁素体形态细小,且与回火索氏体均匀分布。采用不同预备热处理时,亚温处理后的硬度差别很小。亚温处理后42CrMo钢的冲击性能均高于常规调质处理后的冲击性能;预备热处理为调质处理时,亚温处理后的冲击功 ,从其断口形貌中可以看出,其起裂区和裂纹纤维扩展区所占比例较退火处理和淬火处理时要大。因此,调质处理更适合作为42CrMo钢的预备处理。
基于深冷处理提供的温度场和永磁体提供的匀强磁场,对42CrMo钢板合金钢进行磁场深冷处理,并与常规工艺和深冷处理工艺进行了对比分析。结果表明:磁冷工艺在深冷处理工艺的基础上进一步提高了42CrMo钢的耐磨性,磁冷工艺处理材料的耐磨性较常规工艺和深冷工艺分别提高约26. 7%和22. 2%。
这是由于深冷处理使得残留奥氏体进一步转化为马氏体;深冷处理也使得过饱和马氏体析出大量碳生成碳化物;深冷处理中磁场的存在对α-Fe晶格的作用使过饱和马氏体析出碳的方向得到优化,回火屈氏体在磁场方向致密聚集,耐磨性提高。 基于有限元计算分析了直径为Φ40 mm的42CrMo钢圆棒试样分别使用淬火油和PAG水基液淬火后试样不同位置的组织、硬度以及淬火过程中的温度变化,采用硬度检测和显组织分析对模拟结果进行了验证。42crmo钢板结果表明,当使用淬火油淬火时,试样表面由奥氏体向马氏体和贝氏体转变,心部由奥氏体向贝氏体转变;当使用PAG水基液淬火时,试样表层几乎转变成马氏体,心部转变成马氏体和贝氏体;试样经淬火油和PAG水基液淬火后,表面硬度分别为58和55 HRC,均由表面至心部硬度逐渐降低,但使用PAG水基液淬火后试样的心部硬度比用淬火油的高5 HRC,约为50 HRC。
目的提高42CrMo钢板激光淬火后硬化层的深度和分布均匀性。方法利用COMSOL Multiphysics软件对42CrMo钢激光淬火过程中温度场的演变进行分析,且考虑材料的热物性参数随温度变化。通过设定激光工艺参数模拟试样的温度场分布,利用马氏体转变条件得到硬化层形貌尺寸。参照模拟结果,利用连续输出的光纤耦合半导体激光器对42CrMo钢进行激光淬火实验,用热电偶测温仪对试样测温并与模拟的温度历史曲线进行对比,用光学显镜对试样横截面处硬化层形貌进行分析,将实验所得硬化层形貌与模拟结果进行比较。并在相同的功率密度下,改变光斑的几何尺寸进行模拟,分析并比较硬化层的几何特征。结果实验所测某点的温度历史曲线与模拟结果一致性较高,硬化层实际形貌与模拟结果基本吻合。
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对42CrMo钢板首先锻造后淬火,再分别进行常规热处理、浅冷处理和深冷处理,之后进行中温回火,然后测试试样的硬度和冲击韧性,并采用扫描电子显镜观察冲击试样的断口形貌和试样的观组织,探索浅冷处理和深冷处理对42CrMo硬度和冲击韧性及观组织的影响。结果表明,相比于常规热处理,42CrMo经浅冷处理和深冷处理后硬度略下降,冲击韧性有所,并且试样经深冷处理后的冲击韧性程度高于浅冷处理的冲击韧性。冲击试样断口呈准解理断裂,属于脆性断裂。观组织分析表明,浅冷处理和深冷处理均能促进试样组织中细小碳化物弥散分布析出。
利用光学显镜、扫描电镜和电子探针对热处理后开裂的42CrMo钢板制大型风电主轴进行观组织形貌及区成分分析。结果表明,主轴裂纹附近存在大量的硫化物及氮化物夹杂,且夹杂物与基体存在明显的间隙面,易以界面脱粘开裂机制产生裂纹,同时夹杂处的区成分偏析及裂纹附近的缩松缺陷共同作用终导致主轴开裂。
用光学显镜、42crmo钢板扫描电镜、透射电镜和显硬度研究了回火温度和时间对42CrMo钢显组织和硬度的影响,并推导获得了回火后屈服强度的计算模型。结果表明:随着回火温度的升高和时间的延长,马氏体的板条界面逐渐模糊或消失,板条宽度增加,位错密度显著减少,析出相由针状的过渡性碳化物逐渐向球形的稳定渗碳体转变,显组织从回火马氏体演变为碳化物弥散分布的回火屈氏体（400℃）和索氏体（600℃）,同时硬度不断降低,且在前2 h回火内降低显著,而后趋于稳定。由于扩散控制的回火组织演变类同于单一相变过程,基于JMAK方程建立的强度计算模型,可以较好地预测42CrMo钢在200～600℃回火时的屈服强度变化。
